Zur Frage der Gesteinsfestigkeit und ihres Einflusses - e

Zur Frage der Gesteinsfestigkeit und ihres
Einflusses auf den maschinellen
Stollenvortrieb
Autor(en):
Schönholzer, A.
Objekttyp:
Article
Zeitschrift:
Schweizerische Bauzeitung
Band (Jahr): 85 (1967)
Heft 6
PDF erstellt am:
18.03.2016
Persistenter Link: http://dx.doi.org/10.5169/seals-69370
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DK
Dampfhärtung von Bauten in Ortsbeton
693.557.3
Deutsche Zusammenfassung des Aufsatzes «Etuvage d'ouvrages de beton arme coules en place»
Von Ing. W. Thoma, Saint-Cloud, S. et D.
Die Kenntnisse von der Abhängigkeit zwischen Temperatur und
'
Betonfestigkeit, allzulange wenig bekannt, werden neuerdings von
planenden und ausführenden Ingenieuren mit Erfolg in Fertigbeton¬
fabriken wie auch für Bauten in Ortsbeton angewendet.
Die Anwendung von sommerähnlichen Temperaturen bis etwa
30 °C ist gefahrlos, aber wirtschaftlich gesehen von ungenügendem
Einfluss auf die Betonerhärtung. Die hohen Temperaturen bis 80 °C
erlauben eine gute Wirtschaftlichkeit, sind aber von Einflüssen
begleitet, die genau beobachtet werden müssen, um Fehlschläge zu
vermeiden.
Beim Bau einer Schwimmbadhalle in Strasbourg wurden weit¬
gespannte Eisenbetonträger, an Ort hergestellt, durch Dampf erhärtet.
Die Umsetzung der Schalungen und Gerüste konnte damit auf rund
ein Drittel der normalen Zeit herabgesetzt werden. Diese Ausführungs¬
art gab zu folgenden Bedenken der planenden und der kontrollierenden
Ingenieure Anlass:
— Ungleichmässigkeiten bei der Härtung in einem relativ grossen,
dem Winde ausgesetzten Tunnel,
— Ungenügende Härtung beim Anschluss an den ungeheizten
Ortsbeton,
— Ungenügende Haftfestigkeit der Armierung im gehärteten Beton,
Verformungsmodul wächst nicht in gleichem Masse wie die Druck¬
festigkeit, was trotz genügender Härtung zu unzulässiger Durch¬
biegung führt,
Rissebildung.
- Lokale Austrocknung des Frischbetons und dadurch
Im vorliegenden Aufsatz wird gezeigt, wie diesen Bedenken
Rechnung getragen wurde:
— durch Vorversuche über Heizdauer und Heizstärke;
durch weitgehende Kontrolle des Temperaturanstiegs und des
Temperaturabfalls;
— durch Kontrolle der Druckfestigkeiten;
— durch Anordnung einer Auffangstütze (Notstütze) am ersten
Träger, welche nachher weggelassen wurde.
Es wird gezeigt, dass die Eichkurven des Schmidt-Hammers
(Messung der Aufprallhärte) für französische Betonkiese stark ver¬
schieden sind von den schweizerischen. Bei jeder Baustelle mit nicht
schon bekannten Betonzuschlagsstoffen muss eine individuelle Eich¬
kurve aufgestellt werden.
Die Dauerbeobachtung der lotrechten Durchbiegungen hat
ergeben, dass das befürchtete Kriechen des wärmegehärteten Betons
nicht eingetreten oder wenigstens so klein ist, dass es von den hygrothermischen Verformungen überdeckt wird.
-
-
Zur Frage der Gesteinsfestigkeit und ihres Einflusses auf den
maschinellen Stollenvortrieb
DK 624.191.2:622.831
Von A. ScKönholzer, dipl. Ing. ETH, SIA, ASIC, Thun
Die Maschinenfabrik Habegger AG in Thun hat im Laufe der
letzten Jahre eine Tunnelfräsmaschine entwickelt. Diese schweizerische
Konstruktion hat heute nach Überwindung der unvermeidlichen
Kinderkrankheiten die volle Fabrikations- und Einsatzreife erreicht.
Ein erstes Modell der Maschine ist in Japan im Einsatz, wo es im
untermeerischen Seikan-Tunnel-Projekt am Vortrieb des PilotStollens von 3,6 m Durchmesser arbeitet. Beim durchörterten Gestein
handelt es sich bisher um weiche Sandsteine vulkanischen Ursprungs
mit hohem Wassergehalt, vergleichbar mit unseren Molasse-Sand¬
steinen. Eine weitere Maschine wird nächstens in einem Stollen der
Julia-Kraftwerke der Stadt Zürich den Dienst aufnehmen.
Die mit diesen ersten Maschinen vor ihrer Ablieferung in massi¬
gem mittelharten Gestein (Malmkalk) durchgeführten Versuche lassen
erkennen, dass ein wirtschaftlicher Einsatz des neuen Gerätes in
Felsen bis gegen 1600 kg/cm2 Druckfestigkeit sicher und bis 2000
kg/cm2 durchaus möglich ist. Ein Überschreiten dieser Grenze ist
denkbar, die Wirtschaftlichkeit hängt indessen von den Bedingungen
des betreffenden Projektes und den noch durchzuführenden Versuchen
ab. Sicher ist, dass durch diese Neuentwicklung die Einsatzmöglich¬
keiten für eine Vortriebsmaschine ganz wesentlich in Richtung höherer
Gesteins-Festigkeiten verschoben worden sind.
Dem Bauingenieur fällt die Aufgabe zu, aus den geologischen
und geotechnischen Unterlagen die Einsatzmöglichkeit und die
Leistungen der Maschine abzuschätzen. Die ihm als Grundlage zur
Verfügung stehenden Angaben umfassen in der Regel die Beschreibung
der geologischen Formation und allenfalls die am einfachsten mess¬
bare Gesteins-Qualifikation, die Druckfestigkeit am Probekörper,
die wir aber, im Gegensatz zur Praxis, nicht ohne weiteres mit der Härte
gleichstellen dürfen. Es sei daher ganz allgemein die Frage gestellt,
welche Angaben für den Einsatz der Stollenbohrmaschine von Be¬
deutung sein können.
Die Qualifikation des Felsens lässt sich ungefähr in die folgenden
Einzel-Aussagen aufteilen:
Kristalle,
- die Härte der Einzelkörner und des
Verbandes, sowie das Poren¬
und
Härte
Dichte
die
Natur,
volumen und der Wassergehalt,
trocken,
- die Festigkeit des Gefüges im präparierten Probekörper,
dem
mit
d.h.
natürlicher
in
des
Lagerung,
Gefüges
die
Festigkeit
Einfluss der vorhandenen Risse und Schieferungen, sowie des Strei¬
chens und Fallens zur Stollen- und zur Schnittrichtung.
Auf der Maschinenseite stehen die folgenden, experimentell zu er¬
mittelnden Kriterien gegenüber:
- die optimale Fräser-Schnittgeschwindigkeit,
- das optimale Verhältnis von Schnittbreite zu Brechbreite,
92
die Standzeit der Fräser (Wirtschaftlichkeit),
der Energiekonsum,
das Verhalten des Gesteines im Schnittvorgang und in der Schutterung,
- die Möglichkeit der Wasserzugabe.
Es ist klar, dass die bisherigen Versuchsbohrungen viel zu kurz
waren, um über diese Zusammenhänge endgültige Aussagen zu
machen. Sie Hessen aber die Vielschichtigkeit des ganzen Fragen¬
komplexes erkennen und gaben somit Anlass zu den nachfolgenden
Überlegungen. Es wird überhaupt schwer sein, wirklich allgemein
gültige Regeln aufzustellen, denn der innere Aufbau der alpinen
Felsgesteine ist viel zu mannigfaltig. Zur Illustration stelle man sich
das dichte Kristallgefüge eines Granites vor, ein Gemisch aus harten
und mittelharten Körnern mit minimalem Porenvolumen (weniger
als 1 %), und als Gegensatz dazu einen Molasse-Sandstein, aus an sich
gleich harten Quarzkörnern, aber mangelhaft verkittet, und mit einem
Porenvolumen bis zu 20 %. Wieder anders sind die Verhältnisse bei
weichen, blätterigen Schiefern oder schliesslich bei den dichten kalkigen
Tiefseeablagerungen mit ihren stark veränderlichen Festigkeits¬
werten. Oftmals sind an sich sehr harte Felsen in grösseren und
kleineren Abständen von Tonhäuten durchzogen, die als präparierte
Bruchlinien wirken und den Zusammenhalt des Gefüges stark ver¬
mindern. Dazu ist jedes Gestein in seiner natürlichen Lagerung
und nur diese kann uns hier interessieren - als Folge der tektonischen
Vorgänge von Rissen durchzogen, die je nach ihrer Charakteristik den
Tunnelbau im allgemeinen und das Tunnelfräsen im speziellen beein¬
flussen. Aus diesen Überlegungen geht hervor, dass die Angabe der
geologischen Formation, der Lagerung und der Würfeldruckfestigkeit
vorerst nur Indizien für die Zweckmässigkeit des Einsatzes einer
Tunnelfräsmaschine und deren Leistungsbedarf und Kostenaufwand
geben können.
Betrachten wir zunächst einmal den mechanischen Vorgang des
Vortriebes mit dieser Maschine. Im Gegensatz zur klassischen Spren¬
Tiefe und den vollen Querschnitt
gung, die den Felsen auf
durch eine Serie Explosionen zertrümmert, wird das Gestein an einer
festen Zahl kleiner Angriffsstellen abgebaut. Der grosse Vorteil des
Vorgehens liegt darin, dass die Zertrümmerung des Gefüges nur
ganz oberflächlich bleibt. Der innere Zusammenhang des Gesteines
wird viel weniger gestört als beim Sprengen; gefährliche Schichtungen
können sich nicht so fatal auswirken. Das Überprofil, ein nicht zu
unterschätzender Kostenfaktor, entfällt fast vollständig. Dieser
Vorteil ist natürlich allen Stollen-Bohrmaschinen eigen. Neu und
entscheidend bei der Habegger-Maschine ist der Abbau des Gesteines
durch Fräsen. Der Begriff stammt aus der Metallbearbeitung und
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Schweizerische Bauzeitung
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85, Jahrgang Heft
6
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9.
Februar 1967
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Bild 1.
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Angriffseite der Tunnelfräsmaschine Habegger
3ild 2.
bedeutet ein Schneiden durch Überwindung der Scherfestigkeit im
Material. Man ist daher versucht, anstelle der Druckfestigkeit vorerst
einmal die Scherfestigkeit als das eigentliche Kriterium für den
Einsatz der Maschine zu bezeichnen. Sie ist indessen der direkten
Messung kaum zugänglich und muss über den Umweg der Druckund der Zugfestigkeit rechnerisch ermittelt werden. Wie liegen die
Verhältnisse tatsächlich? Wir nennen als Beispiel den Beton als gut
erforschtes Kunstgestein mit 400 -=- 600 kg/cm2 Druckfestigkeit. Die
Zugfestigkeiten am Probekörper, der infolge seiner Fabrikation
rissefrei sein soll, erreichen rund 30 -t- 50 kg/cm2, also knapp den
zehnten Teil der Druckfestigkeit. Beim Gestein in natürlicher Lagerung
sinkt die Zugfestigkeit in der Regel tiefer, da sich die unvermeidlichen,
meist unsichtbaren Risse auswirken. Aus den bisherigen Untersuchun¬
gen seien einige Beispiele angeführt, wobei nur Gesteine mit kleiner
Streuung der Versuchswerte, also mit relativ homogenem Charakter
zitiert werden:
Würfeldruck¬ Spaltzug¬
festigkeit1)
festigkeit
in
kg/cm2
kg/cm2
3
56
1715
Malmkalk (Simmenfluh)
154
7
2263
kristall. Konglomerat (Japan)
Sandstein (Japan)
5
55
1030
1)
Bild 3.
Messung der EMPA an kleinen Probekörpern, also sicher rissefrei!
Fräser im Einsatz im Sandstein (Molasse)
Schweizerische Bauzeitung
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9.
Bild
4.
Februar 1967
Stollenbrust im Malmkalk, Durchmesser 3,60
m
Das Kunstgestein Beton erreicht in dieser Auswahl die relativ höchste
Zugfestigkeit von 8-10% der Druckfestigkeit. Diese Zusammenstel¬
lung lässt erwarten, dass die Zugfestigkeit im allgemeinen klein
bleibt, d.h. unter 10% der Druckfestigkeit, dass sie aber in erster
Annäherung wie bei den Metallen proportional zu ihr verläuft. Dies
lässt weiter den Schluss zu, dass auch die Scherfestigkeit, die mit
Zug- und Druckfestigkeit in festem Zusammenhang steht, ebenfalls
klein sein und ungefähr proportional zur Druckfestigkeit verlaufen
muss. Die Druckfestigkeit am Probekörper darf daher vereinfachend
als das massgebende Kriterium für den Einsatz der Tunnelfräsmaschine
Habegger bestätigt werden.
Damit ist aber über Abhängigkeit der Druckfestigkeit von der
Porosität und dem Wassergehalt des Steines noch nichts ausgesagt.
Es ist bekannt, dass die «Aufweichung» durch den Wassergehalt je
nach dem Bindemittel wesentliche Festigkeitseinbussen bewirken kann.
Diese aus der Literatur2) übernommene Tatsache ist auch hier im
Molasse-Sandstein beobachtet worden. Der Fräsaufwand erwies sich
als viel geringer, als nach der Druckfestigkeit zu erwarten war. Im
Stollen hat man es in der Regel mit naturfeuchtem Gestein zu tun,
während die Druckfestigkeitsmessungen ausnahmslos an getrockneten
Probekörpern stattfinden. Die Druckversuche müssen sich daher auch
auf naturfeuchte Proben erstrecken, sofern die Porosität eine Aufwei2) de
Quervain: Die nutzbaren Gesteine der Schweiz.
Ausbruchmaterial in natürlicher Schüttung, Stückgrösse im Vordergrund 20—30 cm
93
chung erwarten lässt. Diese Frage wird zur Zeit speziell in Australien
untersucht, wo unter der Stadt Sydney ausgedehnte Lagen von porö¬
sem Sandstein mit Kieselsäure als Bindemittel zu durchfahren wären.
Nach dieser ersten Betrachtung der Verhältnisse im Fels sei zu
den bei dem Fräsen auftretenden Vorgängen und Kräften an der
Maschine übergegangen. Ihre Angriffsseite (Bild 1) ist mit vier
rotierenden Fräserscheiben versehen, deren Achsen ihrerseits in festen
Abständen um die Stollenaxe kreisen. Alle vier Fräserachsen stehen
in festen Winkeln leicht schief zur Stollenaxe. Die beiden aussein
Fräserscheiben, jede mit sechs Messern bestückt, folgen einer äussern
Kreisbahn, die beiden Innen-Fräser mit je 16 Messern einer ande¬
ren. Als Messer sind auswechselbare Hartmetallklötze von
cm eingesetzt, deren Kanten leicht gerundet sind. Jedes dieser Messer
schneidet in jedem Durchgang einen sichelförmigen (Innenfräser),
bzw. kommaförmigen Abschnitt wie eine Nute aus dem Felsen. Diese
Abschnitte oder Streifen aneinandergereiht ergeben ein schrauben¬
förmiges Abschälen der Stollenbrust (Bild 2), wobei sich die Steigung
dieser zweigängigen Schraube aus der Messerbreite plus einem Zwi¬
schenraum von 0 H- 8 cm zusammensetzt. Der gesamte Vorschub pro
cm
einmaliger voller Umdrehung des Fräswerkes kann daher
Fräsbreite plus 2 x max. 8 cm Brechbreite, also bis 24 cm erreichen.
Die Zwischenräume, wo das Gestein dank seiner geringen Zugfestig¬
keit nicht geschnitten sondern mitgebrochen wird, wären bei Felsen
von metallartigem Charakter nicht denkbar. In der Stollenaxe selbst
bleibt ein Gesteinszapfen stehen, der die doppelte Schraubenspur der
Innenfräser trägt und von Zeit zu Zeit abbricht. Von den Aussenfräsern sind jeweils im Komma ein Viertel, von den Innenfräsern die
Hälfte der Messer im Angriff, also im ganzen 18 Messer.
Welcher Art ist nun die von ihnen auf den Felsen ausgeübte
Beanspruchung? Sie ist jedenfalls eine doppelte und besteht aus dem
Vorschub parallel zur Stollenaxe und aus der Rotation des Fräs¬
werkes und der Fräser-Scheiben. Die bisherigen Versuche im Malmkalk
ergaben einen wirtschaftlichsten Anpressdruck in der Grössenordnung
von 40 t, oder 2,2 t pro arbeitendes Messer, oder um die 1000 kg/cm2
Flächenpressung zwischen Messer und Fels. Dieser Druck erscheint
bescheiden; er bewirkt aber im Kalk wie im Sandstein einen erstaun¬
lich regelmässigen Vortrieb. Jede Messerkante zeichnet auf der Stollen¬
brust eine geringe Spur lokaler Kornzertrümmerung, die das Schnitt¬
bild und übrigens auch die Spur eines defekten Messers getreulich
nachzeichnet (Bild 3).
Wesentlich anders sind die Verhältnisse bei der eigentlichen
Fräsarbeit in der quer zur Stollenaxe liegenden Ebene. Die verfüg¬
bare Umfangskraft jeder Fräserscheibe beträgt bei den heutigen
Modellen rund 27 t, die sich theoretisch proportional je nach ihrer
Arbeitstiefe auf die vier bzw. fünf eingreifenden Messer verteilt.
Unter der hypothetischen Voraussetzung eines vollständig gleichmassig schneidbaren Gesteins ergäbe sich eine spezifische Flächen¬
pressung zwischen Messer und Fels von 1,5 t/cm2. Diese hat sich bisher
als durchaus hinreichend erwiesen, um die Messer sozusagen ruckfrei
eindringen und das Gestein abtragen zu lassen (Bild 3). Dabei zeigt
die Beobachtung des Schneidvorganges, dass es sich
erwartungsgemäss - kaum um ein Schneiden, sondern um ein fortlaufendes
Abdrücken oder Absplittern handelt. Es ist klar, dass die vorherr¬
schenden Spaltrichtungen des Felsens eine gewisse Rolle spielen
können, obwohl jeder Fräser in seinem Durchgang den optimalen wie
den ungünstigsten Schnittwinkel zu durchlaufen hat.
Nach diesem Überblick über die von der Fräsmaschine auf den
Felsen ausgeübten Kräfte kehren wir zum Ausgangspunkt der Be¬
trachtung zurück, der Beurteilung der Felsgesteine im Hinblick auf
4x4x3
2x4
-
den Einsatz dieses Gerätes. An erster Stelle wurde die Härte der
Einzelkörner und Kristalle genannt, wobei der Quarz als mengenmässig überragendes Hartmineral im Vordergrund steht. In der
bekannten empirischen Härteskala steht er an siebter Stelle. Härter
sind nur noch die seltenen Minerale Topas, Korund und Diamant.
Leider liess sich kein direkter Vergleich zwischen den Härten der
modernen Werkstoffe (Rockwell) und den genannten Mineralien¬
härten finden. Es darf aber als erwiesen gelten, dass die an der Fräse
verwendeten Hartmetalle in die Klasse 8-9 gehören. So wurden auch
die in der Nagelfluh (Molasse) steckenden Quarzknollen glatt abge¬
tragen und nicht etwa aus dem Gefüge gebrochen. Mit andern Worten:
die Härte der Fräser-Werkstoffe würde genügen, um sozusagen jedes
Hartgestein zu bearbeiten. Jedoch steigt mit der Annäherung der
Mineralhärte an die Werkzeughärte der Verschleiss gewaltig an, der
die Grenze des wirtschaftlichen Einsatzes bestimmen wird. Auf der
Maschinenseite stehen indessen eine Reihe Anpassungsmöglichkeiten
zur Verfügung, nämlich:
- die Variation des Anpressdruckes,
- die Anpassung der Drehgeschwindigkeit des Fräswerkes (Fräser¬
vorschub)
- die Anpassung der Schnittgeschwindigkeit der Fräser,den Messern.
- und schliesslich die Verstärkung der Kühlung an
Die Kühlung ist ein kleineres Problem, solange Wasser in belie¬
biger Menge verwendet werden darf. Die Berieselung der Fräser
bindet zugleich den Staub, erleichtert die Materialabfuhr und verhilft
im trockenen Gestein zu einem guten Arbeitsklima. Im übrigen
erscheint es selbstverständlich, dass zum Abtragen eines Kubikmeters
Granit mit 2200 kg/cm2 Druckfestigkeit und 40 % Quarzgehalt
bedeutend mehr Arbeit aufzuwenden ist als für einen Kalkstein mit
10 % Quarz und 1000 kg/cm2 Druckfestigkeit. Daher muss die Vor¬
triebsleistung der Maschine bei gleichem Energieverbrauch entspre¬
chend zurückgehen.
Im Gegensatz zu den auf dem Rollmeisselprinzip beruhenden
Maschinen fallen (im Malmkalk) nur rund 50 % des Ausbruchmate¬
rials als Sand der Körnung 0-8 mm an, die andern 50 % verteilen sich
auf die Körnungen 10-300 mm (Bild 4). Zunehmende Klüftung oder
Schieferung verschiebt die Verteilung der Körnung sofort zu Gunsten
der groben Komponenten und vermindert damit den Fräsaufwand.
Abschliessend sei festgehalten, dass der Verlauf der Versuche zu
grossen Hoffnungen berechtigt. Die Messerkosten sind in mittelharten
Gesteinen schon deutlich unter die Sprengstoff kosten, bezogen auf
den Kubikmeter Fels, gesunken. Es ist zu erwarten, dass mit zuneh¬
mender Erfahrung und in günstig gelagerten Fällen auch die Grenze
der Festigkeiten über 2000 kg/cm2 überschritten wird. Die überwie¬
gende Menge der in unserm Land angetroffenen Felsgesteine, abge¬
sehen von den kristallinen Zentralmassiven, bleibt aber unter der
heute erreichten Grenze und eröffnen der Stollen-Fräsmaschine ein
weites Arbeitsfeld. Besonderes Interesse verdient die in der Entwick¬
lung stehende Klein-Fräse, die zum Ausbruch von Rechteckstollen
für Kanalisationen mit ungefähr 1,20-1,30 m Breite und bis 2,25 m
Höhe bestimmt ist. Der saubere Schnitt einer glatten konkaven
Felssohle im Radius von 1,5 m, der gewölbte Scheitel und die geringe
Störung des umliegenden Felsgefüges beschränken die Ausbauarbeiten
auf ein Minimum. Es wird damit möglich sein, auch in mittleren bis
schlechten Felsqualitäten knapp unter Verkehrswegen und Häusern
durchzufahren.
Adresse des Verfassers: A. Schönholzcr, dipl. Ing. ETH/SIA, Hofstettenstrasse 2, 3600 Thun.
Hydraulisches Deckenhebeverfahren für Skelettbauten
DK 624.016:621.86
Von Peter Sommer, dipl. Ing. ETH/SIA, Tübach
In Rorschach wurde kürzlich der Neubau des Schweizeri¬
schen Bankvereins im Rohbau fertiggestellt. Der obere Teil
(3. bis 7. Obergeschoss), welcher als Bürotrakt in Skelettbauweise
konzipiert ist (Stützen, Decken und Treppenhaus als einzige
tragende Elemente), wurde mit Hilfe eines hydraulischen Hebe¬
verfahrens erstellt. Diese erste Anwendung des für mehrgeschos¬
sige Bauten weiterentwickelten schweizerischen Hebeverfahrens
System Wälli l) wird nachstehend kurz beschrieben.
') Von E. Wälli. dipl. Ing. ETH, Arbon, beschrieben in der Tech¬
nischen Beilage der «Neuen Zürcher Zeitung» vom 13. Februar 1963.
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Balivorgang
Der Unterbau bis einschliesslich der Decke über dem zweiten
Obergeschoss wurde konventionell gebaut. Direkt auf diese Decke
wurden dann sämtliche weiteren Decken inklusive Dachplatte auf¬
einander betoniert. Jede Decke diente der nächst oberen als
Schalung, so dass schliesslich ein Paket von fünf Decken mit einer
Gesamtstärke von 104 cm für die vertikale Hebung bereitlag. Das
ganze Deckenpaket wog 620 t und wurde an 15 Hubstellen,
nämlich an elf Gebäudestützen und an vier Punkten am Treppen¬
haus, hochgezogen (Bilder 1, 2, 3). Auf Stockwerkhöhe wurden
jeweils die unterste Decke in ihrer Endlage befestigt, vom DekSchweizerische Bauzeitung
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